Voyage au centre de la Terre : à la découverte de l’invisible

Géologue CNRS département INSU: SU Sciences de L’Univers

Science de la Terre et de l’Univers = sciences expérimentales

Expériences difficiles Problèmes échelles très grandes espace 105m

temps 1013s non reproductibles expérimentalement.

Observation nous renseigne sur des expériences déjà conduites par la

nature.’ Le présent est la clef du passé’ « Hutton » : Uniformitarisme

la nature des lois ne changent pas mais la vitesse et l’intensité des

processus peuvent changer.

IMPOSSIBLE de « voir « à travers la matière condensée sur grande

échelle de profondeur

XIXème siècle : De la Terre à la Lune, Vingt Mille Lieues sous les mers

Jules Vernes Le Voyage au centre de la Terre

XXème siècle : On a marché sur la Lune, touché le fond des océans,

on n’a pas pu voyager au centre de la Terre

XXIème siècle : On marchera sur Mars avant de toucher le noyau de la Terre

Des mesures

Des observations

Des objets

La Terre : une planète vivante

Anatomie

Chaires minérales

Physiologie

Radio, échographie:on envoie des ondes dans le corps et on enregistre le signal qui en ressort

Nous faisons de même avec le sous sol ?

Ligne sismique

Les dessous de la planète : anatomie de la TerreA

nato

mie

Les dessous de la planète : anatomie de la TerreA

nato

mie

95 % de silicates

• 11 éléments chimiques composent 99,5% de la masse de la lithosphère

• O 46,6%

• Si 27,7%

• Al 8,13%

• Fe 5,0%

• Ca 3,63%

• Na 2,83%

• K 2,59%

• Mg 2,09%

1- la croû te 1.5 % vol-0.5% masse

Benitoïte

BaTiSi3O9

Bergenite

Ca2Ba4[(UO3)2O2(PO4)2]3(H2O)6

Barnesite

Na2V6O16�3(H2O)

Quartz

SiO2

Feldspath(K,Na) Al SI3O8

Mica

K(Mg,Fe)3

AlSi3O

10(OH)

2

+ grande géodiversité du syst. Solaire+ de 4000 minéraux

+ Ti-Mn-P

Cha

ires

min

éral

es

Manteau 84% vol 67% massele Manteau supérieur 30 km -> 200km

5 élémentsO 58%Si16%Mg20.4%Fe2.2%Al1.8%Ca1.3%

Jusqu’à 40 km : Olivine-Pyroxène-Plagioclase

De 40 à 70-80 km : Olivine-Pyroxène -Spinelle

De 70-80 à 200 km : Olivine-Pyroxène-Grenat

5 minéraux : olivine,pyroxène, plagioclase, spinelle, grenat

1 roche péridotite

Cha

ires

min

éral

es

des roches poinçonnées aux

frontières de plaquesEnclaves dans basaltesPhoto: P. Thomas

ITE

Péridotites à spinelle

Péridotites à grenat + éclogites

Cha

ires

min

éral

es

Cha

ires

min

éral

es

- > 200 km Base du Manteau supérieur

- 400-670 km Manteau / zone de transition

- 670-2900 km Manteau inférieur

suppose la connaissance de la chimie globale de la Terre => de ses enveloppes

Modèle minéralogique : au-delà de 200km expériences HP-HT en laboratoireE

XP

ER

IEN

CE

S

au delà de 200km de profondeur on fait appel au ciel

Composition chimique de la Terre le Soleil : la photosphère et la chronosphère

les météorites

CH

IMIE

Nébuleuse d’Orion Modèle de formation Système solaire

Planètes telluriques

Planètes gazeuses

CH

IMIE

ME

TE

OR

ITE

S

ME

TE

OR

ITE

S

Météorites primitives : les chondritescomme aucune roche sur Terre

billes (chondres) de métal et de silitates

Météorites différentiées : les achondrites

Croûte terrestre et autre grosse planètes

Cœur de la Terre

Chondrites Météorites différenciées

Olivine

Plagioclase

Métal

ME

TE

OR

ITE

S

Alliage de fer

SILICATES

Noyau

Manteau

CroûteChondrites carbonées

Terre

Atm

osph

ère

OlivinePyroxèneVerre feldspathiqueMétal

Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinitéschimiques, fusion partielle.

manteau

noyau

atmosphèrecroûte

Formation de la Terreavec de chondrites

Terre différenciée

ManteauPrimitif (MP)

Noyau (N)

Manteau

Noyau

atmosphèrecroûte

Chondrites = Terreglobale (TG)

Terre primitive Terre différenciée

Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinitéschimiques, fusion partielle.

atmosphère

CH

IMIE

On connaît la minéralogie de la Terre jusqu’à 200 km de profondeur

la chimie globale jusqu’à 2900km

�Péridotite : olivine pyroxène grenat

�On soumet ces roches et ces minéraux aux conditions de

pressions et de températures qui règnent à grande profondeur,

on établit leurs domaines de stabilités, on mesure leurs

propriétés élastiques (µ,ρ,K …)

La minéralogie du manteau profond

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

50

100

150

200

250

300

350800 160024003200400048005600

TEMPERATURE (K)

Pro f

ond e

ur (

k m)

Pre s

sion

(km

)

EX

PE

RIE

NC

ES

Le principe de l’appareil

Le minéral à étudier est placé entre deux diamants gemmes dans un trou

(environ 200 µm de diamètre) percé dans un joint métallique. Une fois

l'échantillon et des éclats de rubis en place, on rempli le reste du trou

avec un milieu transmetteur de pression (liquides organiques, gaz rares,

solides mous) et l'on comprime l'ensemble entre les deux diamants.

L’augmentation de la pression est induite par la réduction du volume du

trou

La cellule à enclumes de diamantE

XP

ER

IEN

CE

S

Mesurer la pression en cellule

diamant

Les éclats de rubis servent à mesurer la

pression. Ces derniers émettent une

fluorescence quand ils sont éclairés par

un faisceau laser. Les raies de

fluorescence se décalent avec la

pression. Ce décalage est calibré en

fonction de la pression.

La cellule à enclumes de diamantE

XP

ER

IEN

CE

S

Chauffage par four

Un microfour fait d'un bobinage de fil résistif

entoure les diamants. La transformation du

diamant en graphite limite la température à

environ 1500 K. Avec des montages particuliers

(enceintes à atmosphères controlées ou des

joints chauffants) on peut atteindre des

températures plus élevées de l'ordre de 2000

K. La température est mesurée par un

thermocouple situé au contact des diamants.

Chauffage laser

Le diamant est transparent à une grande partie

du spectre électromagnétique. Il l'est en

particulier dans le domaine de la lumière

infrarouge (IR), ce qui permet de focaliser sur

des échantillons comprimés des faisceaux de

laser de puissance IR. La plupart des oxydes ou

métaux absorbent en revanche la lumière IR et

s'échauffent. Cette technique permet donc de

chauffer à plusieurs milliers de degré les

échantillons sans trop échauffer les diamants.

La température est déduite de l'analyse de la

lumière émise par l’échantillon chauffé.

Chauffer un échantillon dans une cellule diamant

L'échantillon sous pression est chauffé par des fours résistifs entourant les diamants (pour des températures inférieures à 1500 K)) ou par focalisation du faisceau d'un laser IR de puissance (YAG ou CO2) pour atteindre des températures de l'ordre de 4000 K.E

XP

ER

IEN

CE

S

EX

PE

RIE

NC

ES

Structure de l’olivine

Les atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés (en bleu). Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le centre d ’ octaèdres MgO6 FeO6 (en vert) ayant en commun des arêtes.Maille élémentaire de α-Mg2SiO4 : orthorhombiquea=4.75 Å ; b=10.20 Å ; c=5.98 Å, α=90°, β=90°, γ=90°

Structure de la phase ββββLes atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 (en bleu). Les tétraèdres sont regroupés par deux en partageant un sommet pour former des groupements Si2O7. Les atomes de Mg et de Fe en jaune occupent le centre d’octaèdres MgO6 FeO6 (en vert)Maille élémentaire de β- Mg2SiO4 : orthorhombiquea=5.6921 Å ; b=11.460 Å ; c=8.253 Å, α=90°, β=90°, γ=90°

Structure de la phase γγγγLes atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés (en bleu). Les atomes de Mg et de Fe en bleu occupent le centre d’octaèdres MgO6 ou FeO6 ( en vert).Maille élémentaire de γ- Mg2SiO4 : cubiquea=8.0709 Å, α=90°, β=90°, γ=90°

EX

PE

RIE

NC

ES

Structure du périclase (MgO) et de la magnésio-wüstite (Mg,Fe)O

La structure est celle de NaCl.

Maille élémentaire de MgO : cubique

Structure de la perovskite

Les atomes de Si sont au centre d’octaèdres SiO6 (en rouge), le Si est héxacoordonné contrairement aux autres phases où il est tetracoordonné. Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le centre d’octaèdres MgO6 et FeO6.Maille élémentaire de pv- MgSiO3 : orthorhombiquea=4.7754 Å ; b=4.9292 Å ; c=6.8969 Å, α=90°, β=90°, γ=90°

EX

PE

RIE

NC

ES

Structure de la majorite

Proportion volumique de minéraux

Pro

fon

de

ur

(km

)

Olivine

Wadsleyite

Ringwoodite

Mg-perovskite

Mw Ca

pv

Garnet

(Majorite)

Pyroxene

200

400

600

800

20 40 60 80

Devenir d’une roche type

le long d’un géotherme

EX

PE

RIE

NC

ES

modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km

Existe-t- il des archives minérales au delà de 200km correspondantes

aux associations minérales expérimentales de THP,THT?

au delà de 200 km de profondeur pour confirmer ou infirmer les modèles

???

Le modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km

1870 : des diamants dans le désert

Diamant péridotitique

Diamant éclogitique

Deux familles de diamants

Olivine

Grenat

Pyroxène

Grenat

Deux roches éclogites et péridotites deux types de diamants

Grenat pyrope Olivine

Pyroxène

PERIDOTITE

ECLOGITE

EC

HA

NT

ILLO

NS

Echantillons remontés par les kimberlites jusqu’à 700 km de profondeur ?

Des roches

Des diamants et leurs inclusions de la zone de transition

inclusion 1

inclusion 2

Diamond host Gt Si>3

CPX

Gt Si=3

Associations minéralesdans les inclusions

nombre Fe2+/(Fe2++ Mg)du périclase

(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)SiO3

2 0.15-0.30

(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)0.9Al 0.2Si0.9O3

1 0.18

(Mg,Fe)O+ CaSiO3

1 0.19

(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)3Al 2Si3O12

3 0.17-0.3

(Mg,Fe)O+ SiO2

1 0.3

(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)3Al 2Si3O12+ (Mg,Fe)0.9Al 0.2Si0.9O3

1 0.3

MgO-FeO-SiO2 system in the 24-28 GPa and 1500°C-2000°C range. Po sitive Eu anomalies in CaSiO3 indicate derivation from subducted plagioclase-bearing rocks.Fe-rich (Mg,Fe)O inclusions may indicate derivation from the D" layer.

Les inclusions dans les diamants

(Mg,Fe)SiO3 pyroxène et(Mg,Fe)O

Une association rare :

Interprétation : des assemblages minéralogiques du manteau inférieur

MIN

ER

ALO

GIE

OLIVINE (Mg,Fe) 2SiO4 PYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6

GARNET(Mg,Fe,Ca)3Al 2Si3O12

PERIDOTITE

β β β β -(Mg,Fe)2SiO4

γγγγ-(Mg,Fe)2SiO4

MAJORITE(Mg,Fe,Ca)3(Al,Si) 2Si3O12

PEROVSKITES(Mg,Fe)(Si,Al)O 3

CaSiO3

+/- Aluminous Phases and SiO 2

MAGNESIOWUSTITE(Mg,Fe)O

PEROVSKITECaSiO3

Lithospheric Mantle

ContinentalCrust

lithosphereU

pper Mantle

Lower M

antleT

ransition zone

D’’ Layer

CORE

410 km

660 km

2900 km

20 - 80 km

80 - 200 km

ROCK SAMPLESz

PERIDOTITEECLOGITE

DIAMONDS AND INCLUSIONS

Natural samplingExperiences

MAJORITE (Mg,Fe,Ca) 3(Al,Si) 2Si3O12

CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6

COESITE SiO2

MAJORITE (Mg,Fe,Ca) 3(Al,Si) 2Si3O12

CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6

STISHOVITE SiO2

+/-CaSiO3-PEROVSKITE

(Mg,Fe)SiO 3-PEROVSKITECaSiO3-PEROVSKITEAl-PHASESSTISHOVITE SiO2

?

Gillet et al.

POST-PEROVSKITE(Mg,Fe)(Si,Al)O 3

and SiO 2

MIN

ER

ALO

GIE

Echantillons naturels

PH

YS

IOLO

GIE

En résumé

Le manteau terrestre CHALEUR et TEMPERATURE

NOYAU

- du fer liquide avec une graine solide

-assure notre protection en surface